DirectIO(O_DIRECT) 详解

文章目录

DirectIO(O_DIRECT) 详解
- 什么是DirectIO
- 如何使用DirectIO
- DirectIO的性能
- DirectIO的应用

什么是DirectIO

DirectIO也叫无缓冲IO，裸IO（rawIO），意思是使用无缓冲IO对文件进行读写，不会经过OS Cache。

通常，我们使用的文件流读取、内存映射都属于Cache IO，因为将数据写入文件，首先会写入cache，最终再落盘到IO device 或者称为 disk上。cache IO使得我们在写入、读取（预读取、顺序读取等特性）文件数据的时候，性能得以提升，能够从cache(内存)中读取数据。

直接IO，则是直接将数据写入文件、或者从文件中读取出来，绕过了cache，这使得看起来性能没那么好，但是，仔细分析，无论哪种IO方式，最终数据都必须落盘，而两种的区别在于有无OS cache。

OS cache提供的预读取、顺序读取等特性，这些特性并不适用于所有的场景，比如数据库，数据库通常都有自己的一套缓存机制，就像mysql的innodb存储引擎，它有自己的缓存页，有自己的落盘机制，如果不使用directIO，这明显就会存在双重的cache，一个是OS设计的，一个是DB设计的，而通常，DB需要更加符合自己使用的cache机制，而非OS提供的通用化的缓存机制。

如何使用DirectIO

使用直接IO进行数据的写入

//d io
#include <fcntl.h>
#include <malloc.h>
#include <iostream>
#define _GNU_SOURCE //测试宏void rawIO() {int fd;size_t length;char *buf;length = getpagesize() * 1024*16;cout << "page size:" << getpagesize() << endl;fd = open("/home/out.log", O_RDWR | O_APPEND | O_DIRECT);//选用了centos系统作为实验平台if (fd == -1) {printf("%s", strerror(errno));exit(-1);}//函数：void * memalign (size_t boundary, size_t size)//函数memalign将分配一个由size指定大小，地址是boundary的倍数的内存块。参数boundary必须是2的幂！// 函数memalign可以分配较大的内存块，并且可以为返回的地址指定粒度。//函数：void * valloc (size_t size)//使用函数valloc与使用函数memalign类似，函数valloc的内部实现里，使用页的大小作为对齐长度，使用memalign来分配内存。它的实现如下所示：//void *//valloc (size_t size)//{//return memalign (getpagesize (), size);//}buf = (char *) memalign(getpagesize(), length);if (buf == nullptr) {printf("%s", strerror(errno));exit(1);}for (int i = 0; i < length; i++) {buf[i] = 'a';}int ret = write(fd, (void *) buf, length);if (ret == -1) {std::cout << "write fail" << std::endl;printf("%s \n", strerror(errno));}free(buf);
}

由于直接IO绕过了cache，因此，申请读写的buffer不能够使用malloc等函数，因为这些函数并不能够实现地址对齐，因此要使用memalign，这里注意，第一个参数必须对齐页大小，是页大小的幂次。

如果使用DIRECT IO进行读取，和写差不多，也要申请对齐的buf。

DirectIO的性能

为了测试直接IO的性能，这里使用常规的写（不手动落盘）、手动落盘、自动落盘、直接IO的耗时比较，测试变量：

写入：4096* 1024*16 字节的耗时如下：

raw IO elapse ms:862
raw IO elapse us:862723
cache IO 手动 elapse ms:908
cache IO 手动 elapse us:908871
cache IO 自动 elapse ms:885
cache IO 自动 elapse us:885480
cache IO elapse ms:297
cache IO elapse us:297153

可以看出，实际落盘的时间都是差不多的，而写OS Cache，在不立即落盘的情况下，是最快的。

DirectIO的应用

数据库